Es gibt Objekte, die in der Lage sind, die Dichte des auf sie fallenden elektromagnetischen Strahlungsflusses zu ändern, dh sie entweder zu erhöhen, indem sie an einem Punkt gesammelt werden, oder sie zu verringern, indem sie gestreut werden. Diese Objekte werden in der Physik Linsen genannt. Sehen wir uns dieses Problem genauer an.
Was sind Linsen in der Physik?
Dieser Begriff bedeutet absolut jedes Objekt, das in der Lage ist, die Ausbreitungsrichtung elektromagnetischer Strahlung zu ändern. Dies ist die allgemeine Definition von Linsen in der Physik, die optische Gläser, magnetische und Gravitationslinsen umfasst.
In diesem Artikel geht es um optische Gläser, bei denen es sich um Objekte handelt, die aus einem transparenten Material bestehen und von zwei Oberflächen begrenzt werden. Eine dieser Flächen muss notwendigerweise eine Krümmung aufweisen (d. h. Teil einer Kugel mit endlichem Radius sein), sonst hat das Objekt nicht die Eigenschaft, die Ausbreitungsrichtung von Lichtstrahlen zu ändern.
Das Prinzip der Linse
Die Essenz der Arbeit dieser unkompliziertenoptisches Objekt ist das Phänomen der Brechung der Sonnenstrahlen. Zu Beginn des 17. Jahrhunderts veröffentlichte der berühmte niederländische Physiker und Astronom Willebrord Snell van Rooyen das Brechungsgesetz, das heute seinen Nachnamen trägt. Die Formulierung dieses Gesetzes lautet wie folgt: Wenn Sonnenlicht die Grenzfläche zwischen zwei optisch transparenten Medien durchdringt, dann ist das Produkt aus dem Sinus des Einfallswinkels zwischen dem Strahl und der Normalen zur Oberfläche und dem Brechungsindex des Mediums, in dem sich befindet es propagiert ist ein konstanter Wert.
Um das Obige zu verdeutlichen, geben wir ein Beispiel: Lassen Sie das Licht auf die Wasseroberfläche fallen, während der Winkel zwischen der Normalen zur Oberfläche und dem Strahl θ1 ist. Dann wird der Lichtstrahl gebrochen und beginnt seine Ausbreitung im Wasser bereits unter einem Winkel θ2 zur Oberflächennormalen. Nach dem Gesetz von Snell erh alten wir: sin(θ1)n1=sin(θ2) n2, wobei n1 und n2 die Brechungsindizes für Luft und Wasser sind, bzw. Was ist der Brechungsindex? Dies ist ein Wert, der angibt, wie oft die Ausbreitungsgeschwindigkeit von elektromagnetischen Wellen im Vakuum größer ist als die für ein optisch transparentes Medium, dh n=c/v, wobei c und v die Lichtgeschwindigkeiten im Vakuum und in der sind mittel.
Die Physik der Brechungserscheinung liegt in der Umsetzung des Fermatschen Prinzips, wonach sich Licht so bewegt, dass es in kürzester Zeit die Entfernung von einem Punkt zum anderen im Raum überwindet.
Arten von Linsen
Die Art der optischen Linse in der Physik wird allein durch die Form der sie bildenden Oberflächen bestimmt. Von dieser Form hängt die Brechungsrichtung des auf sie einfallenden Strahls ab. Wenn also die Krümmung der Oberfläche positiv (konvex) ist, breitet sich der Lichtstrahl beim Verlassen der Linse näher an seiner optischen Achse aus (siehe unten). Umgekehrt, wenn die Krümmung der Oberfläche negativ (konkav) ist, bewegt sich der Strahl beim Durchgang durch das optische Glas von seiner Mittelachse weg.
Beachten Sie noch einmal, dass eine Oberfläche mit beliebiger Krümmung Strahlen auf die gleiche Weise bricht (gemäß dem Gesetz von Stella), aber die Normalen zu ihnen haben eine andere Neigung relativ zur optischen Achse, was zu einem unterschiedlichen Verh alten des gebrochenen Strahls führt.
Eine von zwei konvexen Flächen begrenzte Linse wird Sammellinse genannt. Wird sie wiederum durch zwei Flächen mit negativer Krümmung gebildet, spricht man von Streuung. Alle anderen Arten von optischen Gläsern sind mit einer Kombination dieser Oberflächen verbunden, zu denen auch eine Ebene hinzugefügt wird. Welche Eigenschaft die kombinierte Linse haben wird (divergierend oder konvergierend), hängt von der Gesamtkrümmung der Radien ihrer Oberflächen ab.
Linsenelemente und Strahleigenschaften
Um Linsen in der Bildphysik einzubauen, müssen Sie sich mit den Elementen dieses Objekts vertraut machen. Sie sind unten aufgeführt:
- Optische Hauptachse und Zentrum. Im ersten Fall bedeuten sie eine gerade Linie, die senkrecht zur Linse durch ihren optischen Mittelpunkt verläuft. Letztere wiederum ist ein Punkt innerhalb der Linse, durch den der Strahl keine Brechung erfährt.
- Brennweite und Fokus - der Abstand zwischen dem Mittelpunkt und einem Punkt auf der optischen Achse, der alle parallel zu dieser Achse auf das Objektiv einfallenden Strahlen sammelt. Diese Definition gilt für das Sammeln optischer Gläser. Bei Zerstreuungslinsen werden nicht die Strahlen selbst zu einem Punkt zusammenlaufen, sondern ihre imaginäre Fortsetzung. Dieser Punkt wird Hauptfokus genannt.
- Optische Leistung. Dies ist der Name des Kehrwerts der Brennweite, dh D \u003d 1 / f. Es wird in Dioptrien (Dioptrien) gemessen, dh 1 Dioptrie.=1 m-1.
Die folgenden sind die Haupteigenschaften der Strahlen, die durch die Linse gehen:
- Strahl, der durch das optische Zentrum geht, ändert seine Bewegungsrichtung nicht;
- strahlen, die parallel zur optischen Hauptachse einfallen, ändern ihre Richtung, sodass sie den Hauptfokus passieren;
- Strahlen, die in beliebigem Winkel auf optisches Glas fallen, aber dessen Brennpunkt passieren, ändern ihre Ausbreitungsrichtung so, dass sie parallel zur optischen Hauptachse werden.
Die obigen Eigenschaften von Strahlen für dünne Linsen in der Physik (wie sie genannt werden, weil egal aus welchen Kugeln sie geformt und wie dick sie sind, nur die optischen Eigenschaften des Objekts Materie sind) werden verwendet, um Bilder in ihnen aufzubauen.
Bilder in optischen Gläsern: wie baut man?
Unten ist eine Abbildung, die die Schemata zum Konstruieren von Bildern in den konvexen und konkaven Linsen eines Objekts detailliert darstellt(roter Pfeil) je nach Position.
Wichtige Schlussfolgerungen ergeben sich aus der Analyse der Sch altkreise in der Abbildung:
- Jedes Bild besteht aus nur 2 Strahlen (durch die Mitte verlaufend und parallel zur optischen Hauptachse).
- Sammellinsen (gekennzeichnet mit Pfeilen an den Enden, die nach außen zeigen) können sowohl ein vergrößertes als auch ein verkleinertes Bild liefern, das wiederum real (echt) oder imaginär sein kann.
- Ist das Objekt scharf, bildet die Linse ihr Bild nicht ab (siehe unteres Diagramm links in der Abbildung).
- Streuende optische Gläser (gekennzeichnet durch nach innen gerichtete Pfeile an ihren Enden) geben immer ein reduziertes und virtuelles Bild ab, unabhängig von der Position des Objekts.
Entfernung zu einem Bild ermitteln
Um zu bestimmen, in welcher Entfernung das Bild erscheinen wird, geben wir bei Kenntnis der Position des Objekts selbst die Linsenformel in der Physik an: 1/f=1/do + 1 /d i, wobei do und di die Entfernung zum Objekt und zu seinem optischen Bild sind Center bzw. f ist der Schwerpunkt. Wenn es sich um ein sammelndes optisches Glas handelt, ist die Blendenzahl positiv. Umgekehrt ist f für eine Zerstreuungslinse negativ.
Lassen Sie uns diese Formel verwenden und ein einfaches Problem lösen: Das Objekt befinde sich in einem Abstand do=2f von der Mitte des sammelnden optischen Glases. Wo wird sein Bild erscheinen?
Aus der Bedingung des Problems ergibt sich: 1/f=1/(2f)+1/di. Aus: 1/di=1/f - 1/(2f)=1/(2f), also di=2 f. Das Bild erscheint also in einem Abstand von zwei Brennpunkten von der Linse, aber auf der anderen Seite als das Objekt selbst (dies wird durch das positive Vorzeichen des Werts di angezeigt).
Eine kurze Geschichte
Es ist merkwürdig, die Etymologie des Wortes "Linse" anzugeben. Es kommt von den lateinischen Wörtern lens und lentis, was "Linse" bedeutet, da optische Objekte in ihrer Form wirklich wie die Früchte dieser Pflanze aussehen.
Die Brechkraft kugelförmiger durchsichtiger Körper war den alten Römern bekannt. Dazu verwendeten sie mit Wasser gefüllte runde Glasgefäße. Glaslinsen selbst wurden erst im 13. Jahrhundert in Europa hergestellt. Sie dienten als Lesehilfe (moderne Brille oder Lupe).
Die aktive Verwendung von optischen Objekten bei der Herstellung von Teleskopen und Mikroskopen geht auf das 17. Jahrhundert zurück (zu Beginn dieses Jahrhunderts erfand Galileo das erste Teleskop). Beachten Sie, dass die mathematische Formulierung des Brechungsgesetzes von Stella, ohne deren Kenntnis es unmöglich ist, Linsen mit den gewünschten Eigenschaften herzustellen, von einem holländischen Wissenschaftler zu Beginn desselben 17. Jahrhunderts veröffentlicht wurde.
Andere Objektive
Wie oben erwähnt, gibt es neben optisch brechenden Objekten auch magnetische und Gravitationsobjekte. Ein Beispiel für ersteres sind magnetische Linsen in einem Elektronenmikroskop, ein anschauliches Beispiel für letzteres ist die Verzerrung der Richtung des Lichtflusses,wenn es in der Nähe von massiven Weltraumkörpern (Sternen, Planeten) vorbeifliegt.
